Unité mixte de recherche

Sciences Techniques ÉducationFormation

D E ASCIENCES, TECHNIQUES, ENSEIGNEMENT ET DIFFUSIONOption : Didactique des Sciences Expérimentales et Disciplines Technologiques

Mémoire de stage tutoré

LES REPRESENTATIONS RELATIVES A LA

CELLULE CHEZ LES ELEVES DE LYCEE

Auteur : Alain POTHET

Tutrice : Mme COQUIDE-CANTOR MarilyneEcole doctorale SP « Sciences Pratiques » Année 2003-2004

Remerciements :

q A Mme Marilyne COQUIDE-CANTOR pour son aide attentive,

q A M. Naoum SALAME pour ses encouragements,

q A l’ensemble de l’équipe d’enseignants du DEA Sciences Techniques,

Enseignement et Diffusion pour leurs conseils,

q A mes élèves et mes collègues pour leur collaboration active.

T a b l e d e s m a t i è r e s

Introduction.. 4

1. Une synthèse des représentations des élèves mexicains dans le domaine de la biologiecellulaire. 5

1.1. Les représentations relatives à la cellule. 5

1.2. Un questionnaire et des entretiens. 5

1.3. Une synthèse et des perspectives pédagogiques. 6

2. Cellules et organisme pour quelques élèves de lycée. 7

2.1. Cibler : de la biologie cellulaire à la cellule . 7

2.2. Adapter : carences et initiatives . 7

2.3. Des conditions particulières. 7

3. Les représentations de la cellule.. 7

3.1. Le « déjà-la » . 7

3.2. Les obstacles et les conceptions. 9

3.3. La cellule : un objet biologique « affectif » . 9

4. Un questionnaire pour révéler les conceptions. 10

4.1. Le mode de construction : un compromis nécessaire . 10

4.2. Les outils d’analyse : les « a priori » et les « a posteriori » . 11

4.3. Ambiguïtés et potentiels du questionnaire. 12

4.3.1. Les réponses révélatrices des ambiguïtés du questionnaire. 12

4.3.2. Les réponses révélatrices du potentiel des questions ouvertes. 13

4.4. Une combinatoire de méthodes. 14

5. Une cellule dynamique et omniprésente.. 15

5.1. Des conceptions synthétiques. 15

5.1.1. Une conception synthétique de la place de la cellule dans l’organisme. 15

5.1.2. Conception synthétique de la dynamique des populations cellulaires. 17

5.2. Des « profils cellulaires » variés . 20

5.2.1. Des « profils cellulaires » au sein de l’organisme . 20

5.2.2. Des « profils de dynamisme cellulaire » . 20

5.3. Les origines des conceptions relatives à la cellule. 21

5.3.1. Place de la cellule dans les programmes de Sciences de la Vie et de la Terre (SVT). 21

5.3.2. La persistance des conceptions. 22

Conclusion.. 24

Bibliographie.. 25

Liste des figures et des tableaux.. 26

Liste des annexes. 26

Annexe 1 : la recherche-mère . 27

Annexe 2 : les questionnaires et leur grille de lecture . 28

Annexe 3 : Présentation du logiciel MODALISA .. 35

Annexe 4 : Les résultats en chiffres . 36

Introduction

Ce mémoire correspond à la réplication d’un article mexicain présentant une visionsynthétique des représentations de la cellule chez des élèves de lycée.

Cette recherche de Fernando Flores réalisée au Mexique sur une population importanted’élèves (1200 élèves) du lycée aborde des concepts didactiques et scientifiques importants. Dunepart, le concept de représentation, reflet des processus de construction mentale des élèves et d’autrepart, le concept de cellule en tant qu’unité fonctionnelle et structurale du vivant. Cette rencontreconceptuelle ouvre un champ d’étude extrêmement large que l’auteur de la recherche explore àtravers 8 questionnaires de 12 questions suivis par des interviews de certains élèves amenés àpréciser leurs réponses.

Les dimensions du domaine de recherche et l’imprécision quant aux outils méthodologiquesutilisés (seules quelques questions sont présentées dans l’étude initiale et aucune indication n’estdonnée sur l’organisation des interviews) impliquent une adaptation profonde de l’étude pour enréaliser la réplication.

La réplication génétique multiplie fidèlement l’information génétique, elle y glisseégalement, par ses erreurs, les ferments de l’évolution de la vie. La réplication de recherche tente,elle aussi, de reproduire fidèlement la démarche de recherche mais un tel travail en quelques moisnécessite une adaptation très profonde de la méthodologie utilisée et des champs conceptuelsexplorés. Ces « mutations » nécessaires transforment la cadre de recherche et rendent difficile lescomparaisons avec la recherche initiale. Limité aux relations entre les cellules et l’organisme d’unepart et au dynamisme cellulaire d’autre part, cette réplication recherche caractériser et à structurerles conceptions relatives à la cellule pour 58 élèves de Première S et Terminales S du lycée MarieCurie (92, Sceaux). La construction d’une conception synthétique ne pourra se faire sans une priseen compte de la diversité initiale réduite par la construction de différents profils de conceptions.

Cette adaptation conceptuelle s’accompagne d’une transformation de la méthodologie derecherche. Deux questionnaires pré testés vont tenter de révéler les conceptions relatives à la cellule.La vision anthropomorphique, la division et la mort cellulaire, le rapport entre cellules, organes etorganisme sont les points qui vont structurer les questionnaires.

Après une analyse de l’article initial, la recherche présente les grands axes de l’adaptationréalisée pour la réplication et le cadre théorique choisi. Les contraintes de la conception de l’outilméthodologique retenu sont présentées dans une quatrième partie. Enfin, une discussion desrésultats obtenus permettra de répondre à la problématique de recherche.

1.Une synthèse des représentations des élèves mexicains dans le domaine de la biologie cellulaire.

Recherche-mère« Representation of the cell and its processes in high school students : an integrated view »Fernando Flores, Cognitive Pedagogy and Science Learning Department, Instruments Centre, MaEugenia Tovar , Sciences and Humanities College, South Campus and Leticia Gallegos, CognitivePedagogy and Science Learning Department, Instrument Centre, Universidad Nacional Autonomade Mexico, (UNAM), Mexico.

In Internationnal Journal of Science Education, 2003, vol. 25, no. 2, 269-286.

1.1. Les représentations relatives à la cellule.

L’auteur de cette recherche constate que les recherches antérieures sur les « priors ideas » ouidées premières en biologie n’ont pas permis de caractériser les représentations des élèves sur lesconcepts liés à la cellule et à son fonctionnement.

Cette constatation justifie cette recherche qui tente de donner une vision synthétique desreprésentations de la cellule chez les élèves des lycées mexicains.

Avant de parvenir à cette vision synthétique, l’auteur se propose d’identifier les « previous ideas »des élèves de lycée et de déterminer les niveaux de compréhension du rôle de la cellule dans lastructure et le fonctionnement de l’organisme.

L’auteur semble distinguer ce qu’il appelle les « previous ideas » ou « priors ideas » ou encore« view » qui représentent des « images » ponctuelles sur des notions précises de la biologiecellulaire. Mais ces images « dispersées » doivent être organisées pour former un tableau cohérentreprésentant les modèles structurés et fonctionnels que sont les « conceptual representations » ouconceptions des lycéens.

Ce travail de synthèse est le cœur même de cette recherche, il nécessite des mises enrelations de représentations partielles pour faire apparaître des conceptions générales.

Le champ conceptuel dans lequel s’inscrit cette recherche est celui de la biologie cellulaire. En effet,l’auteur va balayer un très grand nombre de concepts de la biologie cellulaire en allant de l’aspectstructural, métabolique jusqu’aux rapports entre la cellule et le fonctionnement de l’organisme.

1.2. Un questionnaire et des entretiens.

Compte tenu de l’immensité du domaine scientifique balayé par cette étude, l’auteur a subdiviséson recueil de données en 8 questionnaires de 12 questions. Pour chaque questionnaire, lespremières questions abordent les principes généraux à l’échelle de l’organisme et les questionssuivantes s’orientent vers le niveau cellulaire. Ce gradient d’échelle permet de partir d’unedimension familière aux élèves pour aboutir à une dimension cellulaire moins accessible aux élèves.

Deux types de question sont développés dans les questionnaires :

- des questions à choix multiples assez générales

- des questions à choix multiples dans lesquelles les réponses doivent être justifiées.

Ces questionnaires sont suivis par des entretiens individuels afin de préciser certaines idéesexprimées.

L’échantillon est composé de 1200 élèves des trois niveaux du lycée mexicain sélectionnés de façonaléatoire.

1.3. Une synthèse et des perspectives pédagogiques.

A partir des résultats obtenus dans cette recherche l’auteur établit deux niveaux de représentations.Le premier d’ordre général se situe au niveau des processus physiologiques touchant l’organisme etle second se réfère spécifiquement aux caractéristiques fonctionnelles et morphologiques de lacellule.

Les conceptions générales sur les organismes font clairement apparaître une différence defonctionnement entre les structures et le fonctionnement des organismes appartenant au mondeanimal et ceux appartenant au monde végétal.. Cette différence est particulièrement marquée dansles fonctions de nutrition, de respiration et de reproduction.

Les conceptions relatives à la cellule font apparaître des modèles explicatifs trèsanthropomorphiques. On relève en effet des expressions telles que « la cellule prend dans sonenvironnement ce dont elle a besoin » ou « la cellule reconnaît ce qu’elle doit phagocyter ». Unautre obstacle révélé par ces représentations de la cellule est celui de l’isomorphisme entre lefonctionnement à l’échelle des organes ou des organismes et le fonctionnement des cellules. Onobserve par exemple une présentation de la digestion à l’échelle cellulaire similaire aux processusde digestion se déroulant dans le tube digestif d’un organisme.

Un des obstacles majeur sous jacent à toutes ces représentations est lié au concept d’énergie enbiologie. En effet, l’énergie est considérée dans le monde vivant comme la cause et la finalité detous les processus biologiques. D’autre part, cette énergie apparaît comme une substance au mêmetitre que l’eau.

Les conceptions au niveau intra-cellulaire font apparaître un noyau dominateur et une connaissancetrès limitée de la fonction des différents organites cellulaires.

L’auteur fait le constat que les programmes de lycée et de collège au Mexique traitent les processusphysiologiques de base comme des éléments séparés. Il est donc difficile, dans ces conditions,d’expliquer le fonctionnement des organes et des organismes en l’intégrant avec le niveau cellulaire.

Cet état des lieux amène l’auteur à faire quelques suggestions quant à l’enseignement des processusphysiologiques.

- l’enseignant doit veiller à aborder un processus physiologique dans sa globalité en allantde l’échelle de l’organisme jusqu’à l’échelle cellulaire. Il doit, d’autre part, être vigilantquant aux analogies utilisées pour ne pas générer des confusions entre les différents niveauxd’étude.

- Les concepts scientifiques possèdent différents niveaux de compréhension, ils doiventdonc être abordés dans un contexte qui donne à chaque élève les éléments nécessaires à laconstruction progressive du concept scientifique. Dans cette optique, il est préférabled’aborder les aspects généraux accessibles à l’expérience des élèves pour passer dans undeuxième temps aux mécanismes cellulaires.

- Les « images » ponctuelles des élèves ne doivent pas être isolées les unes des autres etl’on doit s’efforcer de construire des interrelations entre ces images comme on le fait pourles réseaux conceptuels.

- Si l’on veut aborder un champ conceptuel aussi vaste sans créer des cloisonnements entreles différents niveaux d’étude, l’enseignant doit construire autour des élèves une« atmosphère » homogène dans laquelle l’élève va côtoyer des problèmes, des textes, desexpériences, des modèles et des textes historiques. Cette « atmosphère » doit l’amener àconstruire des relations et des explications rendant possible la naissance de modèlesexplicatifs articulant la cellule et les processus cellulaires.

2.Cellules et organisme pour quelques élèves de lycée.

Les conditions de réalisation de ce travail de réplication ont nécessité une adaptation nécessaire etimportante de la recherche-mère.

2.1. Cibler : de la biologie cellulaire à la cellule

Quelle représentation synthétique relative à la cellule peut-on construire à partir de la diversité desconceptions unitaires ? Les rapports entre cellules, organes et organisme ainsi que le dynamismecellulaire sont les deux domaines sélectionnés dans cette étude.

La recherche se placera tout d’abord dans une problématique de type « cartographique » (Astolfi, J.-P. 1989) en essayant de dégager la « géographie » des conceptions dans les deux domainescellulaires sélectionnés.

On tentera ensuite de dégager :

- une conception générale par une étude statistique des réponses,

- un ensemble de profils de représentations par une catégorisation des réponses.

2.2. Adapter : carences et initiatives

La recherche-mère présente l’ensemble des ces résultats sur un questionnaire qui n’est que trèspartiellement présenté (des exemples de questions sont présentés dans l’annexe). Cette carence anécessité la construction de nouvelles questions adaptées aux questions de recherche retenues.

Le corpus et les méthodes de son analyse ne sont pas présentés dans l’article de référence.L’adaptation a donc nécessité un choix d’outils d’analyse qui sont probablement différents de ceuxutilisés dans la recherche-mère. De plus aucune indication sur les entretiens n’est donnée dansl’article initial.

Cette adaptation profonde a donné une grande liberté à l’expérimentateur dans ses choix et dans ledéroulement de sa propre recherche. En ce sens, l’adaptation a donc fortement « responsabilisé »l’auteur de cette recherche.

2.3. Des conditions particulières

Une telle recherche, en dehors du fait qu’elle se déroule dans un cadre temporel très réduit, présenteun ensemble de limites que l’on ne peut ignorer. En effet, la caractérisation des conceptions ne peut

se concevoir en dehors d’un contexte de production or celui-ci n’a pas pu être totalement aménagéau cours de cette recherche. De plus, l’échantillon choisi pour cette étude est composé d’élèves quiconnaissent l’expérimentateur pour l’avoir comme enseignant depuis parfois plusieurs années. Lesréponses des élèves ont donc bien évidemment pris en compte les attentes bien connues del’expérimentateur. Enfin, l’expérimentateur intègre dans son interprétation non seulement sonpropre cadre conceptuel mais aussi la connaissance qu’il peut avoir de ces différents élèves.

L’échantillon est constitué de 58 élèves d’un lycée de la région parisienne (Lycée Marie Curie deSCEAUX). Ils appartiennent à une classe de Première S et une classe de Terminale S. alors quel’échantillon de la recherche-mère est composé de 1200 élèves pris de façon aléatoire dans des 3années de lycée mexicain.

3.Les représentations de la cellule

3.1. Le « déjà-la »

Depuis les années 1970, de nombreuses études et recherches ont été menées sur les représentationsdes élèves. Ces travaux avaient pour but de faire apparaître les modèles explicatifs et fonctionnelsdes élèves. Cette approche nouvelle traduit une prise en compte plus importante de l’apprenant dansl’acquisition du savoir. En effet, l’enseignement n’est plus considéré comme un simple apportd’informations nouvelles à un élève récepteur vierge de toutes connaissances mais plutôt commeune transformation progressive des conceptions préexistantes chez l’apprenant.

Le modèle allostérique (figure 1) de Giordan, A. traduit l’incompatibilité des « conformationsspatiales » entre la connaissance apportée par l’enseignant et les conceptions préexistantes quioccupent la même « niche écologique » que le concept chez l’apprenant. L’appropriation du savoirpar l’élève nécessite une complémentarité entre concepts scientifiques et conceptions.

Figure 1: modèle allostérique

Les études montrent une résistance importante des modèles explicatifs des élèves au cours de leursétudes. Les « transformations conformationnelles » sont lentes et ne pourront réellement êtreacceptées par leur auteur que si elles apparaissent plausibles et promettent une utilisation fructueuse.De plus, les changements conceptuels ne s’imposent qu’à condition que le modèle antérieur« maîtrisé » apparaisse insatisfaisant.

Très tôt, un débat est apparu sur la terminologie la plus adaptée à ce concept. En effet, si le terme dereprésentation est le terme historique, il est rapidement apparu que la connotation « figurative » dece terme pouvait limiter la portée du concept désigné. Le caractère polysémique du termereprésentation aussi bien en psychologie qu’en didactique lui a fait préférer parfois le terme deconception (Clement, P. 1994). On a vu aussi apparaître un grand nombre d’autres termes enfrançais et en anglais essayant de traduire la complexité de ce concept.

Pré représentations, discours premier, « déjà-la », idée initiale, pupils paradigmes, pré requis… sontquelques exemples de la richesse du vocabulaire qui tente de décrire le concept de représentation.Dans ce travail, les termes de conception et représentation seront indifféremment utilisés pourdésigner le concept étudié.

L’origine des représentations semble être particulièrement composite. Une des composantes de cette

origine est la composante psychogénétique traduisant une relation étroite entre le développementintellectuel de l’élève et ses représentations. Le savoir commun ou connaissances naïves sontlargement impliqués dans la construction des modèles explicatifs que sont les représentations. Lesreprésentations sociales issues de la traduction sociale de la science à partir des informations issuesdes médias, constituent enfin une composante importante dans l’origine des conceptions.

Une des difficultés dans la caractérisation des conceptions réside dans le fait que ces « déjà-la »conceptuels dépendent dans leur expression du contexte dans lequel se trouve l’apprenant. Lacomposante adaptative de la représentation la rend difficilement analysable indépendamment ducontexte. Le rapport au savoir, la représentation des attentes de l’enseignent et la situation socialevis-à-vis de l’échec scolaire façonnent les conceptions au cours du temps indépendamment duconcept scientifique représenté.

L’ensemble de ces interactions explique la nécessité de construire une véritable « atmosphère »propice à l’expression des conceptions.

3.2. Les obstacles et les conceptions

Les représentations constituent de véritables outils de diagnostic et de dépistage des obstaclesconceptuels sous-jacents. Des outils diagnostics dans le sens où ces représentations se structurentautour de « noyaux durs » que sont les résistances aux apprentissages et aux raisonnementsscientifiques. Ce sont aussi des outils de dépistage car ces conceptions permettent de prévoir uncertain nombre d’obstacles à la conceptualisation. En effet, ces modèles explicatifs et fonctionnelspeuvent être à l’origine de nouvelles résistances à l’enseignement.

La connaissance de ces obstacles est indispensable puisqu’elle permet de dégager le sens desreprésentations en donnant les moyens d’en construire l’interprétation (Astolfi, J.-P. 1998).

3.3. La cellule : un objet biologique « affectif »

La cellule n’est pas un objet biologique anodin car « avec la cellule, nous sommes en présence d’unobjet biologique dont la surdétermination affective est considérable et incontestable. » (Canguihlem,P. 1985). Unité du vivant et origine de la vie, la cellule est une entité surdimensionnée de labiologie. Les obstacles que peuvent révéler les représentations de la cellule vont donc être desobstacles majeurs qui l’on va retrouver dans de nombreuses représentations en biologie. L’obstacleanthropomorphique qui apparaît dans les représentations de la cellule structure de nombreusesconceptions d’élèves dans le domaine de la biologie.

La cellule a une valeur graphique importante car son image est un des symboles puissants de labiologie. L’univers cellulaire est riche en images depuis les premières images « cellulaires » deRobert Hooke en 1665 qui présentait la cellule (du latin cellula : petite chambre) comme une sortede pore hexagonal d’un cadre rayonné de ruche (figure 2) jusqu’aux images actuelles demicroscopies optiques où les cellules sont intiment jointives dans les tissus vivants (figure 3). Cette« abeille » des organismes véhicule une forte valeur coopérative même si sa structure fine laprésente isolée par une barrière qu’est la membrane cytoplasmique.

Structure protégeant le milieu intra-cellulaire des variations extérieures pour les cellules primitivesleur assurant ainsi la stabilité indispensable à la reproductibilité des mécanismes moléculaires, lamembrane s’est peu à peu transformée au cours de l’évolution en une véritable interface complexe

assurant les échanges et la communication cellulaire. Cette évolution biologique rejoint l’histoiredes connaissances dans le domaine de la biologie cellulaire.

Schwann structure au milieu de 19ième siècle les connaissances éparses sur les cellules et lesorganise en un concept scientifique cohérent : la théorie cellulaire. Même si celle-ci reste imparfaite,elle permet de transformer une structure biologique essentiellement caractérisée par son image en unconcept scientifique plaçant la cellule au cœur de tout système vivant.

Il aura donc fallu trois siècles pour réaliser cette transition entre l’image et la théorie ce que résumeparfaitement F. Jacob en assurant que « pour qu’un objet scientifique soit accessible à l’expérienceil ne suffit pas de l’apercevoir, il faut une théorie prête à l’accueillir ».

Figure 2: Les "cellules ruches" de Hooke Figure 3: le tissu hépatique

Dans cette étude la cellule est présentée comme unité de fonction et de développement au sein d’unorgane et d’un organisme. Celui-ci est plus que la simple somme d’unités fonctionnellesjuxtaposées, car il représente la somme de toutes les interactions qui peuvent se nouer entre sesunités. Le contrôle par la cellule de sa division et de sa mort la transforme en véritable unité deconstruction et de développement de l’organisme.

4.Un questionnaire pour révéler les conceptions

4.1. Le mode de construction : un compromis nécessaire

L’outil méthodologique choisi dans cette recherche pour faire apparaître les conceptions des élèvesde lycée est le questionnaire (voir annexe 2).

Les questionnaires ont été distribués aux élèves de deux classes du Lycée Marie Curie de Sceaux.Une classe de Première S et une classe de Terminale S. Le choix des classes, loin de répondre à unidéal statistique, s’est fait selon un idéal pratique puisque ce sont les deux classes d’enseignementde l’expérimentateur. De plus, les élèves de Terminale S ont tous eu l’expérimentateur commeenseignant en Première S. Cette situation loin de compliquer l’enquête a permis une compréhensionplus rapide des questions posées dans les questionnaires.

Aucun commentaire n’accompagnait les 30 minutes durant lesquelles les élèves ont complété lesquestionnaires.

Les élèves ont été invités à inscrire leur nom sur les questionnaires afin de permettre une interviewéventuelle.

La forme des questions est volontairement variée afin de balayer les différentes possibilités d’un teloutil méthodologique. Cette variété représente un compromis nécessaire et utile à la construction dela diversité des représentations en prenant en compte la créativité de chacun dans les questionsouvertes tout en guidant la réflexion au sein des questions fermées.

§ des questions ouvertes variées :

q production de schémas :question 4 du questionnaire 1

q production de textes : question 6 du questionnaire 1

La place des questions ouvertes dans une telle recherche est primordiale car elles permettent de faireapparaître les conceptions dans toute leur diversité. Même si cette diversité comporte un risque dedispersion qui rendrait impossible le codage des réponses, elle permet de mettre en évidence aussibien graphiquement que verbalement les détails des représentations.

§ des questions fermées comportant :

q des choix sur des schémas ( question 3 du questionnaire 2)

q des affirmations (question 2 du questionnaire 1).

Ces questions permettent de tester un certain nombre d’hypothèses sur les représentations desélèves, en fournissant un cadre de réponses prédéfini par l’expérimentateur.

Les questions portent sur deux domaines de la biologie cellulaire et tente de faire apparaître lesconceptions des élèves de lycée sur :

§ la cellule au sein de l’organisme (voir questionnaire N°1 enannexe 2 :) d’une part

Dans ce premier questionnaire, l’élève est amené à répondre à des questions sur lesrelations qu’entretient la cellule avec les organes et l’organisme mais aussi sur lesrelations entre les cellules elles-mêmes (voir annexe 2).

§ la dynamique des populations cellulaires (voir questionnaire N°2en annexe 2) d’autre part.

Cette dynamique des populations est abordée au travers des deux mécanismes régulateurs despopulations cellulaires : la mitose (division cellulaire) et l’apoptose (mort cellulaire programmée).

L’organisation des questions au sein de chaque questionnaire tente de faire apparaître un gradientd’échelle allant de l’organisme à la cellule en passant par les organes.(voir annexe 2)

4.2. Les outils d’analyse : les « a priori » et les « a posteriori »

Les réponses ont été traitées par le logiciel MODALISA et on fait l’objet d’un tri croisé pourchacune des variables traitées, en fonction du niveau.

Le traitement informatique des réponses a nécessité une clarification des variables testées danschaque question (voir annexe 2), associée à un codage des réponses aux questions ouvertes. Cecodage à posteriori n’a été possible qu’après un inventaire des réponses permettant de dégager uncertain nombre d’indicateurs.

L’analyse des réponses sous forme de schémas à la question 4 du questionnaire 1 fait apparaître 3grands types de représentations graphiques du tissu hépatique présentées dans la figure 4 ci-dessous.

Figure 4 : typologie des représentations graphiques

La possibilité d’un tri croisé par niveau de l’ensemble des questions permet d’engager une réflexionsupplémentaire par rapport à la problématique initiale. Cette réflexion nouvelle porte sur l’impactdu programme de Science de la vie et de la Terre de Première S sur les conceptions des élèves dansle domaine de la biologie cellulaire. Cette nouvelle approche des résultats n’est apparue qu’aposteriori c’est-à-dire après la conception des questionnaires et aurait certainement mérité d’êtreintégrée dans la conception du questionnaire.

4.3. Ambiguïtés et potentiels du questionnaire

4.3.1. Les réponses révélatrices des ambiguïtés du questionnaire

- Les questions ouvertes peuvent révéler les imperfections du questionnaire. Malgré un testpréalable sur quelques élèves, il est difficile de déceler toutes les ambiguïtés des questions posées.La figure 5 ci-dessous illustre parfaitement cet écueil. En effet, le schéma de l’élève a intégré lecadre de la cellule hépatique comme un élément de la cellule elle-même. Une légende précise de lacellule hépatique aurait certainement permis à l’élève de mieux comprendre la consigne.

Figure 5 : ambiguïté et représentation graphique du tissu hépatique

- Un autre écueil est apparu au moment de l’analyse des différentes questions fermées, en effet laformulation d’une question présentant une double interrogation rend difficile son analyse. Le cass’est présenté dans la question 2 du questionnaire 2 :

« La taille d’un organe chez l’adulte est constante car les cellules ne s’y divisent plus »

Il est impossible de savoir si les réponses apportées portent sur le fait que « chez l’adulte, la taille del’organe est constante » ou sur le fait que « la taille de l’organe reste constante parce que lescellules ne s’y divisent plus ».

Enfin les questions fermées avec plusieurs items telles que la question 5 du questionnaire 2 peuventavoir des réponses exactes mais fondées sur des arguments faux. L’entretien permettrait de lever lesambiguïtés.

4.3.2. Les réponses révélatrices du potentiel des questions ouvertes

Les questions ouvertes peuvent également laisser un degré de liberté tel que les réponses apportéesfont apparaître toute la richesse des conceptions et dépassent toutes les attentes à priori. La figure 6ci-dessous illustre parfaitement cet enrichissement de la question ouverte avec l’ajout de vaisseauxsanguins au sein du tissu hépatique. Cette initiative affine la conception de cette élève dont le tissupar son irrigation est parfaitement intégré à l’ensemble de l’organisme.

Un entretien avec cette élève aurait certainement permis de préciser l’intégration cellulaire au seinde l’organe considéré mais aussi au sein de l’organisme en général.

Ces questions ouvertes, loin de représenter une difficulté d’exploitation, se sont révélées richesd’enseignement et ont permis une prise en compte plus variée des représentations.

Figure 6 : Potentialité des questions ouvertes

4.4. Une combinatoire de méthodes

Un questionnaire ne suffira certainement pas à révéler à lui seul les modèles explicatifs sous-jacentsque sont les conceptions. Il permettra de visualiser leur émergence conjoncturelle. On se doit donc,si l’on veut approcher ces modèles explicatifs, de construire une véritable stratégie de recueil desdonnées.

Cette stratégie fait appel à différents outils méthodologiques et ne doit pas se contenter d’un simplequestionnaire. De plus, cette stratégie nécessite une démarche très progressive dans laquelle chaqueétape se nourrit de la précédente. Une démarche qui est faite de retour en arrière, de choix quiamènent à écarter certaines approches.

Cette stratégie doit de plus s’intégrer dans le déroulement de l’action pédagogique tout ens’appuyant sur elle pour limiter les artéfacts liés au contexte pédagogique.

Les grandes étapes de cette stratégie proposée par Giordan, A. et de Vecchi, G. (1994) sontprésentées dans la figure 7 ci-dessous.

Figure 7 : une combinatoire de méthodes

Nous voyons bien que l’étude menée ici sur les conceptions cellulaires est loin de l’idéalméthodologique présenté ci-dessus. Même si ce biais méthodologique ne doit pas balayerl’ensemble des résultats obtenus il doit inciter à beaucoup de modestie dans les analyses et lesdiscussions sur les réponses apportées par les élèves.

5.Une cellule dynamique et omniprésente

Une double analyse a guidé l’exploitation des réponses aux questionnaires :

- une analyse quantitative menant à la construction d’une conception générale

- une analyse plus qualitative menant à la construction de profils de conceptions.

L’analyse des réponses de tels questionnaires peut permettre de faire apparaître une conceptiongénérale moyennant les conceptions individuelles, mais doit aussi mettre en lumière la diversité desconceptions. En effet, si elle peut apporter un éclairage nouveau au moment de la construction d’uncours ou d’un programme scolaire, la conception générale est une pure construction qui nereprésente que la somme ou la moyenne d’un ensemble de conceptions unitaires et à ce titre ne peuten aucun cas être appliquée à la diversité des apprenants.

C’est l’analyse statistique des réponses aux différentes questions qui va permettre la construction decette représentation générale.

Il paraît impossible et inutile de retranscrire en détail chaque représentation apparue, mais il estpossible de dégager un certain nombre de profils représentatifs qui cette fois pourront permettre dedévelopper des stratégies diversifiées prenant en compte la variété des représentations. La méthoded’analyse des questionnaires est cette fois très différente, puisqu’elle nécessite de prendre en comptechaque questionnaire dans sa globalité et non pas les différentes questions pour l’ensemble del’échantillon..

5.1. Des conceptions synthétiques

5.1.1. Une conception synthétique de la place de la cellule dans l’organisme

Une vision anthromorphique peu affirmée

Les réponses à la question 1 du questionnaire 1font apparaître une conceptionanthropomorphique de la cellule (figure 8)pour 7 à 9 élèves. En effet Les verbes« penser » et « prendre une décision » ne sontque très rarement associés au terme « cellule ».

Figure 8 : La cellule ne sait pas tout faire(Echantillon de 58 élèves)

Figure 9 : L’organisme sait tout faire (Echantillon de58 élèves)

En dehors de cette conceptionanthropomorphique peu prononcée, onpeut noter une dissociation desfonctions à l’échelle de l’organisme etcelles au niveau cellulaire. Les fonctionsde respiration et de communicationsemblent inconnues pour les cellules(voir figure 8 et 9).

Des cellules partout

- Les réponses à la question 3 du questionnaire 1 font apparaître une conception cellulairegénérale à tous les organes et tissus. Même les ongles et les cheveux semblent, pour unemajorité d’élèves, être composés de cellules. (figure 10).

Figure 10 : Des cellules partout (Echantillon de 58 élèves)

- L’organisation cellulaire au sein des différents organes présente une grande diversitéfonctionnelle pour 47 des 58 élèves (question 2 du questionnaire 1) mais aussimorphologique pour 44 des 58 élèves (question 2 du questionnaire 1) Cette conception dediversité cellulaire importante comparée à la diversité des organes est confirmée par lesréponses à la question de 24 du questionnaire 1.

- L’indépendance morphologique et fonctionnelle des cellules par rapport aux organes estconfirmée par le fait que la totalité des élèves a dissocié la taille de l’organe de celle descellules qui s’y trouvent (question 5 du questionnaire 1).

Conception générale

- Peu a peu on voit se mettre en place une conception des rapports entre cellules, organes etorganisme. Les organes apparaissent comme des ensembles de nombreuses cellules, diverseset variées qui ne communiquent pas entre elles et dont le fonctionnement unitaire estdifférent de l’organisme dans lequel elles se trouvent

- Cette conception générale qui apparaît au cours de l’analyse de cette enquête ne doit pasmasquer la diversité des conceptions individuelles dont la richesse ne peut être envisagéedans ce mémoire.

- Les résultats du tri croisé fait apparaître des différences peu significatives entre les

réponses des élèves de Première S et de Terminale S. La conception générale de la cellule ausein de l’organisme semble être très proche.

5.1.2. Conception synthétique de la dynamique des populations cellulaires

L’analyse des réponses au questionnaire N°2 permet de faire apparaître les conceptions sur ladivision cellulaire, la mort cellulaire et l’équilibre entre ces deux phénomènes au cours de la vie del’organisme.

La division cellulaire : source de stabilité

- D’après les réponses à la question 2 du questionnaire 2 (figure 11), on peut noter que ladivision cellulaire doit pour 53 des 58 élèves conserver à la fois la taille des cellules et desnoyaux.

- Il apparaît en effet dans les justifications avancées deux grands indicateurs :

o la taille des cellules filles doit être identique.

o Le noyau des cellules filles doit avoir la même taille que celui de la cellulemère.

Figure 11 : La division conservatrice (Echantillon de 58 élèves)

La division cellulaire : origine universelle du dynamisme cellulaire.

- Comme le montre la figure 12, la division cellulaire représente une composante essentielle

du dynamisme cellulaire. Elle est présentée comme un phénomène général au mondevivant et se fait à un rythme très élevé au cours du développement. On observe qu’elle peutmême se poursuivre après la mort de l’organisme (pour 23 des 58 élèves) comme si ellereprésentait une fonction propre aux cellules et donc non affectée par les phénomènes quitouchent à l’organisme.

- La division cellulaire est également considérée comme un mécanisme primordial de lacroissance pour 48 des 58 élèves, même si la croissance en taille des cellules apparaît danscertaines réponses à la question 6 du questionnaire 2 comme mécanisme assurant lacroissance des végétaux.

- Ce pouvoir de se diviser est un pouvoir illimité pour 36 des 58 élèves qui pourrait êtreconsidéré comme non contrôlé. La conception générale qui apparaît est une conceptiond’hyper dynamisme universel et incontrôlé

La division cellulaire : une capacité spécifique à certaines cellules

- Même si la division est perçue comme un mécanisme universel dans son déroulement, lesélèves (33 des 58 élèves) n’accordent pas ce pouvoir à l’ensemble des types cellulaires. Siles microorganismes (levures et bactéries) et la cellule œuf conservent cette capacitémultiplicatrice, il n’en est pas de même pour des cellules différenciées telles que lesspermatozoïdes ou les ovules (voir figure 9).

La mort cellulaire : une composante de la vie cellulaire

- Pour plus de 52 des 58 élèves, les cellules peuvent mourir bien avant la mort del’organisme sans qu’aucun agent pathogène ne soit en cause.

Division cellulaire et mort cellulaire : acteurs de la dynamique des populations cellulaires- Pour 39 des 58 élèves, le nombre de cellules chez l’adulte reste constant alors que lesdivisions cellulaires se poursuivent au cours de toute la vie et même parfois après la mort del’organisme. Ceci sous-entend qu’il existe un mécanisme compensatoire à la divisioncellulaire et c’est de l’équilibre entre ces deux mécanismes que naît l’équilibre cellulaire ausein de l’organisme adulte.

- A l’hyperdynamisme précédemment cité s’oppose donc une destruction tout aussi activequi assure une stabilité apparente d’un organisme en constant renouvellement.

- Cette conception dynamique de l’organisme s’applique également à l’échelle des organesdont la taille est constante chez l’adulte malgré des divisions cellulaires.

L’ensemble des ces données est regroupé dans la figure 9 ci-dessous.

Figure 12 : Le dynamisme cellulaire (échantillon de 58 élèves)

Encore une fois, le tri croisé des différentes réponses au questionnaire 2 en fonction du niveau, nefait pas apparaître de différences significatives entre la Première S et la Terminale S.

5.2. Des « profils cellulaires » variés

5.2.1. Des « profils cellulaires » au sein de l’organisme

L’analyse globale des questionnaires fait apparaître 5 profils de représentation de fréquences très

variables.

Description du profil Nb d’élèves

Profil AConception anthropomorphique de la cellule.

Cellule omniprésente dans l’organisme mais diversitécellulaire réduite.

2

Profil BConception anthropomorphique de la cellule.

Grande diversité cellulaire dans un organisme présentant desparties cellulaires et non-cellulaires.

3

Profil CConception non anthropomorphique de la cellule

Grande diversité cellulaire dans un organisme présentant desparties cellulaires et non-cellulaires.

25

Profil DConception non anthropomorphique de la cellule.

Grande diversité cellulaire dans un organisme totalementcellulaire.

16

Profil EConception non anthropomorphique de la cellule.

Cellules omniprésentes et peu diversifiées.4

Tableau 1 : Profils cellulaires

Même si l’on peut remarquer que les profils C et D largement majoritaires, représentent laconception générale présentée ci-dessus, il n’en demeure pas moins que l’existence des profils A, Bet E participe à la richesse des représentations.

5.2.2. Des « profils de dynamisme cellulaire »

Avec la même méthode que pour le premier questionnaire, 4 profils se dégagent de l’analyse dudeuxième questionnaire.

Description du profil Nb d’élèves

Profil AConception dynamique mais avec une grande stabilité desstructures cellulaires 21

Profil BConception extrêmement dynamique pour l’ensemble descellules de l’organisme. 7

Profil CConception extrêmement dynamique mais certaines cellulesuniquement 11

Profil DDynamisme très modéré pour certaines cellules seulement.

8

Tableau 2 : Profils du dynamisme cellulaire

Pour tous ces profils, le dynamisme cellulaire est important, les différences sont globalementminimes entre les conceptions.

5.3. Les origines des conceptions relatives à la cellule

5.3.1. Place de la cellule dans les programmes de Sciences de la Vie et de la Terre (SVT).

- Le programme de la classe de 6ième présente la cellule comme étant « un constituant de tous lesêtres vivants ». L’observation de préparations microscopiques va permettre « d’observer des tissusvégétaux et animaux ainsi que des organismes uni et pluricellulaires. » La cellule est donc uneunité structurale et non encore fonctionnelle du monde vivant. L’observation de cellules au sein detissus et non pas isolées doit contribuer à la construction d’une conception de la cellule comme uneunité dynamique et interactive au sein de l’organisme.

- Au cours du cycle central (cinquième et quatrième), l’organisme humain devient le sujet d’étude.Les fonctions de l’organisme sont abordées « de façon pragmatique à travers leurs manifestationsobservables ».Ces fonctions ne sont pas indépendantes mais coordonnées au service dufonctionnement de l’organisme. Les échanges et la communication entre les organes ainsi que lefonctionnement coordonné de ces organes favorisent l’émergence d’une conception intégrée del’organisme lieu d’échanges et de fonctionnement coordonné entre organes.

La cellule du cycle d’adaptation (6ième)est très peu abordée dans ce cycle central, les fonctionsprésentées à l’échelle des organes ne sont pas rapprochées des fonctions cellulaires.

La cellule œuf est présentée comme origine de l’embryon humain dans le chapitre portant sur latransmission de la vie chez l’Homme.

- Le programme du cycle d’orientation (3ième) aborde les divisions cellulaires comme desmécanismes de conservation (mitose) et de transmission (méiose) de l’information génétique. Leniveau d’étude des divisions cellulaires est celui des chromosomes. La cellule est une simpleenveloppe à chromosomes qui représentent eux le support de l’information génétique.

D’autre part, le programme de troisième transforme l’unité structurale cellulaire de la classe desixième en une unité fonctionnelle. En effet, au travers de l’étude du fonctionnement de l’organismehumain la cellule devient une unité d’échange (nutrition), de communication (neurones et synapses)et de coordination (système immunitaire).

L’ensemble des acquis dans le domaine cellulaire en fin de collège doit permettre la constructiond’une conception intégrée de la cellule au sein des organes et de l’organisme. Celui-ci doit être plusque la simple somme d’unités fonctionnelles juxtaposée (cellules), car il représente la somme detoutes les interactions qui peuvent se nouer entre ses unités.

- En classe de seconde, le programme réaffirme la place de la cellule comme « fondatrice de l’unitéet de la diversité du vivant ». Les cellules sont présentées comme « les unités structurales etfonctionnelles de tous les êtres vivants ».

- En classe de première S, le phénotype cellulaire détermine le phénotype macroscopique tout enétant sous la dépendance du phénotype moléculaire. La cellule se retrouve à la charnière entre lemonde moléculaire et le monde organique.

La division cellulaire est présentée comme un mécanisme assurant la mise en place du phénotype

macroscopique au cours de la morphogenèse végétale. Certaines cellules, après la division, vont sedifférencier alors que d’autres demeurent indifférenciées maintenant ainsi les capacités demultiplication cellulaire.

L’étude du système nerveux place la cellule nerveuse comme une unité de communication etd’intégration.

L’ensemble des ces éléments des programmes scolaires de Sciences de la Vie et de la Terreconcourent à la construction des conceptions sur la cellule et la dynamique des populationscellulaires. (figure 10)

Figure 13 : origine des conceptions cellulaires

5.3.2. La persistance des conceptions

La cellule : unité structurale et fonctionnelle des programmes apparaît clairement dans lesconceptions des élèves interrogés, elle est même surdimensionnée au point d’occuper la totalité dumilieu intérieur d’un organisme pluricellulaire. Présenté dés la sixième, cette notion réapparaît enseconde comme élément structurant l’ensemble du monde vivant, on peut donc facilementcomprendre la place prépondérante voire « hégémonique » que prend la cellule comme unité

structurale des organismes vivants au sein des représentations des élèves des classes de Première Set de terminales S.

De plus, le choix des tissus végétaux et animaux observés vise à mettre en place la constitutioncellulaire générale, il est donc rarement envisagé de présenter des éléments acellulaires tels que lesongles ou les cheveux.

Si la conception d’une cellule omniprésente semble présente chez la plupart des élèves, celle d’unecellule communiquant avec son environnement cellulaire l’est beaucoup moins. Cet obstacle querévèlent les conceptions peut trouver son origine dans la structure cellulaire elle-même. En effet, ladéfinition même de la cellule implique l’isolement puisque toute cellule est délimitée par unemembrane que l’on présente comme une structure sélectivement perméable et isolante.

Or les programmes insistent aussi bien au collège qu’au lycée sur la nécessaire coopération aussibien au niveau des organes qu’au niveau cellulaire pour la réalisation des fonctions de l’organisme.Cette représentation d’une cellule isolée fonctionnellement au sein des organes est donc loin desambitions des programmes du collège et du lycée qui insistent sur la communication et les échangesintercellulaires afin d’assurer un fonctionnement coordonné de l’organisme.

Une autre explication peut être fournie par l’analyse du sens donné par les élèves au verbe« communiquer » qui a été utilisé dans la question 1 du questionnaire 1. En effet, 74 % (voir figure5) des élèves n’ont pas associé le verbe « communiquer » au mot « cellule » or le verbe « échanger »est souvent préféré au verbe communiquer dans les intitulés officiels du programme. De plus, lacommunication cellulaire peut difficilement être rapprochée de la communication entre lesorganismes qui fait intervenir un ensemble de structures sensorielles absentes des cellules.

La communication cellulaire est difficilement observable expérimentalement contrairement à lacommunication entre les organismes.

Un entretien aurait sans doute permis de clarifier ces ambiguïtés de vocabulaires.

Enfin une dernière explication peut être fournie par l’organisation même des programmes du collègequi séparent les niveaux d’étude avec une cellule unité structurale en sixième, des fonctions étudiéesde façon pragmatique à l’échelle de l’organisme dans le cycle central et une intégration desdifférents niveaux en troisième. Cette séparation temporelle des niveaux d’étude peut expliquercertaines représentations isolées de la cellule au sein d’un organisme totalement cellulaire. Cettedernière explication rejoint les conclusions de l’étude mexicaine initiale.

Ce qui est remarquable dans cette étude c’est la stabilité des conceptions relatives à la cellule et àson dynamisme puisque l’on voit que ces conceptions se retrouvent pratiquement intactes en classede terminale malgré une année de première riche en connaissances sur le monde de la cellule

Conclusion

Les résultats et leur analyse font apparaître une cellule hyper dynamique et omniprésente chez detrès nombreux élèves. Surdimensionnée, la cellule n’en demeure pas moins isolée et peu interactiveavec le reste de l’organisme dans cette conception générale.

Les conditions particulières d’une telle recherche appellent à une grande prudence et à une grandemodestie quant à la portée de ces résultats.

- Tout d’abord, la caractérisation de représentations chez des apprenants ne peuts’envisager que dans une stratégie de recherche utilisant un ensemble d’outilsméthodologiques variés et dans une démarche longue et progressive. La mise en place d’une« atmosphère » favorable à l’émergence des conceptions n’a pu se faire au cours de cetteréplication.

- Ensuite, l’échantillon réduit et composé d’élèves uniquement de classes scientifiques n’apermis certainement qu’une vision très parcellaire de la diversité des représentationsrelatives à la cellule chez les élèves de lycée.

- Enfin des entretiens auraient permis d’affiner et de préciser des représentationsdifférentes du modèle explicatif général.

L’adaptation profonde de la recherche mère et le contexte de la réplication rendent difficile lacomparaison des résultats obtenus dans ces deux études. Exercice formateur dans le cadre d’uneformation doctorale, la réplication se révèle difficile lorsque les contextes de recherche sont trèséloignés et que l’on aborde les conceptions dont le caractère conjoncturel les rend changeantes etadaptatives.

Cet embryon imparfait de recherche sur les conceptions relatives à la cellule pour des élèves d’unlycée de la région parisienne fait apparaître une persistance des modèles explicatifs et fonctionnelsentre les élèves de Première S et Terminale S Ce résultat fortuit ouvre des perspectives pour unensemble de recherches sur la résistance des conceptions au cours de l’apprentissage. D’autre part,la comparaison des modèles explicatifs d’élèves de nationalités différentes qui n’a pu se faire icicontenu des contraintes de la réplication, pourrait enrichir la compréhension des originescomposites des représentations des élèves.